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金属的微观组织决定其力学性能。细小晶粒拥有优良的塑性、韧性和抗疲劳性能,粗大晶粒则拥有较好的抗高温蠕变和抗断裂性能。因此对矩形坯料实施精确的定向表层塑性变形并辅以后续的热处理,使其获得表层是等轴细晶而中心部位是粗大晶粒组成的复合组织,将能同时满足对高温蠕变、断裂韧性和疲劳强度的要求。本文就是在这样的思想下提出来的。依据以上想法,提出了复合辊轧、滚珠滚压、表面挤压和受控喷丸四种表层塑性变形工艺,并依据局部加载理论设计了相应的塑性变形装置。通过物理模拟实验和有限元分析的方法,对四种表层变形工艺的金属流动规律进行了研究,得出表层塑性变形后沿板坯厚度方向的应力应变特点,并揭示了经过四种表层变形工艺和后续热处理后的Q235钢和定向凝固钛铝合金板坯的微观组织演变规律。利用商业有限元软件ABAQUS-6.7对四种定向凝固钛铝合金板坯表层塑性变形过程进行了有限元分析,结果表明经过四种表层变形工艺后,塑性变形基本上被局限在表层的1mm内,最大等效应变值分别能达到0.2、0.22、0.032和0.25。利用弹塑性力学的相关理论,结合定量计算和定性分析,得出了四种工艺的应变类型分布特点,即:经过复合轧制后的坯料表层处于平面应变状态,经过滚珠滚压和表面挤压后的坯料沿特定的厚度方向路径的应变类型由伸长类应变转化为压缩类应变,而经过受控喷丸后的坯料沿特定的厚度方向路径的应变类型由压缩类应变转化为伸长类应变。对经过表层塑性变形的Q235钢坯料进行显微组织观察,结果表明在室温下,经过复合辊轧、滚珠滚压、表面挤压和受控喷丸后,表层晶粒发生强烈塑性变形,呈纤维状,心部组织保持原始形态。对经过复合辊轧、滚珠滚压和表面挤压变形后的Q235钢辅以再结晶退火,得到了表层细晶和心部粗晶的复合组织,而对经过受控喷丸后的坯料进行再结晶退火发现,坯料表层的晶粒由于处于临界变形区而发生异常长大。定向凝固钛铝合金坯料经过复合辊轧后,表层晶粒出现再结晶细化,而中心部分保持粗大的全层片组织。对经过滚珠滚压、表面挤压和受控喷丸后的定向凝固钛铝合金表层组织进行组织观察发现,层片发生强烈的弯曲,在层片的界面处出现了相转变和动态再结晶。对滚珠滚压、表面挤压和受控喷丸后的试样在α相转变线上10~20oC进行短时间的真空热处理发现,显微组织尺寸从坯料的表层向中心方向有明显的梯度渐变特征,即形成了表层组织为细小全片层晶粒,心部组织为粗大全层片的原始晶粒的复合组织;而对受控喷丸后的试样进行相同的热处理发现,表层晶粒由于处在临界变形区而发生了异常的长大。